Напряженно - деформированное состояние плоской пластины с учетом повреждаемости материалов при ползучести и высокотемпературной водородной коррозии при нес

Тип работы:
Реферат
Предмет:
Механика


Узнать стоимость

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

УДК 539. 2
НАПРЯЖЕННО — ДЕФОРМИРОВАННОЕ СОСТОЯНИЕ ПЛОСКОЙ ПЛАСТИНЫ С УЧЕТОМ ПОВРЕЖДАЕМОСТИ МАТЕРИАЛОВ ПРИ ПОЛЗУЧЕСТИ И ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ВОДОРОДНОЙ КОРРОЗИИ ПРИ НЕСТАЦИОНАРНЫХ УСЛОВИЯХ НАГРУЖЕНИЯ Белов А. В., Поливанов А. А., Попов А. Г.
Камышинский технологический институт (филиал) Волгоградского государственного технического университета,
Камышин, Россия
На основе обобщенной модели предложен системный подход и разработана методика решения комплексной задачи по оценке напряженно — деформированного состояния тонких оболочек вращения с учетом повреждаемости материалов при ползучести и высокотемпературной водородной коррозии при нестационарных условиях нагружения.
В химической промышленности и энергетике широко распространены элементы стальных конструкций, выполненные в виде тонких однослойных и многослойных оболочек вращения, круглых и кольцевых пластин. Такие конструкции в процессе эксплуатации могут подвергаться воздействию силовых и тепловых нагрузок, а также различных агрессивных сред, вызывающих коррозию материала.
Достаточно распространенным видом коррозии является высокотемпературная водородная коррозия сталей. Воздействие водорода на конструкции может приводить к обезуглероживанию материалов из которых они изготовлены, что проявляется в значительном снижении их механических характеристик — жесткости, мгновенной и длительной прочности, пластичности. С повышением температуры, давления водорода и уровня действующих напряжений интенсивность процесса значительно увеличивается. Например, для стали 20 при температуре 500 °C и парциальном давлении водорода 5−10 МПа, через определенное время модуль упругости может уменьшиться на 20%, а пределы мгновенной, длитель-
ной прочности и текучести еще более значительно [4].
Ухудшение механических свойств материалов вследствие водородной коррозии ослабляет высоконагруженные конструкции и приводит к возникновению в зонах концентрации напряжений пластических деформаций, развитию деформаций ползучести и к нарушению н есущей способности конструкции в целом.
Для достоверной оценки работоспособности конструкций, находящихся в условиях термосилового нагружения и воздействия водородосодержащей среды необходимо иметь возможность расчета изменения их напряженно — деформированного состояния, оценки остаточного ресурса с учетом всех действующих факторов. Наиболее эффективным методом решения таких задач является численное моделирование с поэтапным их решением. На первом этапе задача решается в достаточно простой постановке (с учетом отдельных факторов воздействия) и после анализа п о лученных результатов осуществляется переход к ее решению в более сложной постановке. И таким образом, постепенно усложняя задачу, выполняется расчет с
учетом всех действующих факторов и особенностей поведения материала. После каждого этапа решения задачи проводится анализ получаемых результатов и могут выбираться модели и гипотезы, наиболее адекватно описывающие закономерности поведения материала применительно к рассматриваемым условиям нагружения.
Для определения несущей способности и долговечности конструкций в виде тонких однослойных и многослойных оболочек вращения, в т. ч. пластин использована методика расчета, разработанная авторами. Эта методика позволяет исследовать историю изменения осесимметричного упругопластического напряженно — деформированного состояния однослойных и многослойных оболочек вращения с учетом повреждаемости материалов при ползучести и оценивать их несущую способность и долговечность. Для учета влияния высокотемпературной водородной коррозии в данную методику расчета добавлены модели воздействия на конструкцию водородосодержащей среды [4].
Рассмотрим тонкостенную оболочку, состоящую из нескольких слоев различных металлов, первоначально находящуюся в естественном ненапряженном состоянии при начальной температуре, а затем подвергающуюся медленному неравномерному нагреву и действию распределенных нагрузок, симметричных относительно оси вращении и не вызывающих деформации кручения. Механические характеристики материалов задаются в виде мгновенных диаграмм деформирования, кривых ползучести и длительной прочности, значений коэффициентов линейного теплового расширения и коэффициентов Пуассона для ряда фиксированных температур. Эти характеристики должны быть получены путем проведения соответствующих испытаний образцов, изготовленных из материалов, находящихся как в исходном,
так и в обезуглероженном состоянии. Статические и геометрические уравнения записываются в форме геометрически линейной теории тонких слоистых оболочек вращения. Задача решается в ква-зистатической постановке в рамках гипотез Кирхгофа — Лява для пакета слоев в целом. Вдоль меридиана и по толщине пластина разбивается на малые интервалы (элементы), напряженное состояние которых можно считать однородным.
Процесс нагружения разбивается на ряд малых по времени этапов. В качестве определяющих уравнений используются соотношения теории неизотермических процессов упругопластического деформирования элементов твердого тела по траекториям малой кривизны, линеаризованные методом дополнительных деформаций. За меру повреждаемости в процессе развития деформации ползучести принят скалярный параметр повреждаемости wС, характеризующий относительную плотность равномерно рассеянных в единице объема микродефектов и равный нулю, когда повреждений нет, и близкий к единице в момент разрушения. Учет влияния повреждаемости материалов на процесс ее деформирования осуществляется путем введения параметра повреждаемости в соотношения термовязкопла-стичности.
Для определения wС используется кинетическое уравнение повреждаемости материалов вследствие ползучести, в форме предложенной Ю.Н. Работно-вым [5].
Учет влияния высокотемпературной водородной коррозии на несущую способность осуществляется использованием модели воздействия на конструкцию водородосодержащей среды [4]. В соответствии с этой моделью влияние водорода на свойства материала представляется в виде кусочно-линейного закона для параметра химического взаимодействия водорода с материалом конст-
рукции /л, изменяющегося от 0 до 1 и характеризующего степень поражения материала вследствие водородной коррозии:
°, при г & lt- гинк-
(г — гинк)/(гкр — гинк), при гкр & lt- г г 1, при г & gt- г
инк
(1)
кр
где гинк=кр~и ехр^/Т) — продолжительность инкубационного периода, в течении которого не происходит изменения свойств материала- гкр=Х гинк — момент времени, совпадающий с завершением химических превращений в материале и изменением (ухудшением) его механических характеристик- р — парциальное давление водорода- Т- температура- к, и, Q, X — некоторые константы экспериментально определяемые для различных марок стали.
Кинетика перемещения фронта обезуглероживания будет определяться следующим выражением [4]:
для пластины:
1
г
к
= 1
к •Л • ехр (Q /Т)
г ри
гфронта — р
2 • и
(2)
для оболочки:
(1 Л | 1 + к Л I ~
г = гв — 1 I = 1 — к •Л • ехр (Q Т)
V Гв 1 и СЗ Н X о Л 1
1
2 • и
(3)
где г — глубина обезуглероживания, отсчитываемая от поверхности контакта оболочки с водородом- к — толщина оболочки- гв -внутренний радиус оболочки- гфронта — время, для которого определяется глубина обезуглероживания.
Поскольку конструкции в виде оболочек, как правило, находятся под действием внутреннего давления, то воздействие водорода на их материал начинается с внутренней поверхности оболочки и по мере проникновения водорода в материал эти процессы также распространяются в глубь материала. Так после завершения процесса химического взаимодействия водорода с материалом оболочки в точках внутренней поверхности при г = гкр материал полностью обезуглероживается и затем фронт обезуглероживания будет
перемещаться от внутренней поверхности оболочки к внешней. Но в течение периода времени г & lt- гкр изменение механических характеристик материала практически не происходит, и в этом интервале времени нагружения оболочки ее расчет будем производить без учета водородной коррозии, непосредственно используя методику [1, 2, 3]. Начиная с момента времени г & gt- гкр при расчете оболочки влияние водородной коррозии будем учитывать путем выделения обезуглероженного слоя материала со стороны поверхности оболочки, контактирующей с водородом. Это фактически будет соответствовать введению нового слоя материала, толщина которого будет постоянно увеличиваться по мере развития процесса обезуглероживания и тем самым в оболочке возникнет
подвижная граница между слоями исходного и обезуглероженного материалов. При определении напряженно — деформированного состояния материала в точках обезуглероженного слоя необходимо использовать его механические характеристики, соответствующие обезуглерожен-ному состоянию. По мере развития процесса обезуглероживания материала происходит снижение прочности и жесткости оболочки, и в наиболее напряженных зонах могут возникать пластические деформации и интенсивно развиваться деформации ползучести, сопровождающиеся накоплением повреждений в материале. Этот процесс в конечном итоге, может привести к полной потере несущей способности конструкции.
Таким образом, исследуя историю изменения напряженно — деформированного состояния с учетом перемещения фронта
обезуглероживания и повреждаемости материалов при ползучести и используя соответствующие критерии мгновенной и длительной прочности, можно оценить ее несущую способность и долговечность с учетом воздействия всех вышеназванных факторов.
В качестве примера рассмотрим напряженно — деформированное состояние равномерно нагретой кольцевой пластины, как частный случай оболочки, находящейся под воздействием давления водорода. Пластина изготовлена из материала сталь 20 и имеет следующие геометрические размеры: Я = 110 мм, г = 65 мм, ё = 10 мм (рис. 1). Давление водорода осуществляется на верхнюю поверхность пластины по закону Р=0,002* (где 1 — время процесса), при этом внешний и внутренний кольцевые контуры имеют шарнирно — неподвижное опирание.
Константы материала в соотношениях (1) — (3) были взяты из работы [1]. Влияние уровня напряжений на скорость обезуглероживания в данном расчете не учитывалось.
Рассматриваемая задача решалась в следующих постановках:
При постоянной температуре Т=300 С°:
1.1. Термоупругопластическая деформация без учета водородной коррозии-
1.2. Термоупругопластической деформация с учетом водородной коррозии-
При постоянной температуре Т=500 С°:
2.1. Термовязкоупругопластическая деформация с учетом повреждаемости материала при ползучести и без учета водородной коррозии-
2.2. Термовязкоупругопластическая деформация с учетом повреждаемости материала при ползучести и водородной коррозии.
Некоторые результаты расчетов приведены в табл. 1 и на рис. 2 — 5.
Как показали результаты расчетов, во всех случаях наибольшие растягивающие напряжения возникают на нижней поверхности пластины в точках, отстоящих от края отверстия на расстоянии 20 мм. На верхней поверхности пластины имеют
Таблица 1.
место преимущественно сжимающие напряжения. Разрушение материала во всех случаях происходит в наиболее напряженных точках пластины с координатами? = 85 мм, 2 = - 0,5 мм.
№ Вид постановки задачи Температура оболочки (°С) Время начала процесса разрушения (ч.) Вид критерия прочности Давление на момент разрушения, МПа Г лубина обезуглероживания на момент разрушения, мм
1 1.1. 300 1900 КМП 38 —
2 1.2. 300 1830 КДП 36,5 2
3 2.1. 500 630 КМП 12,5 —
4 2.2. 500 575 КДП 11,5 7
Примечание.
1. КМП — критерий мгновенной прочности [6]-
2. КДП — критерий длительной прочности [2, 5].
3. За время начала процесса разрушения (момент разрушения) принимается время, за которое происходит нарушение одного из заданных критериев прочности.
а88, і МПа
400
300
200
100
1 і і і і і
і ***& quot- «**¦, * 3 Ч/І «1 41
Л! .Л. ,/!!! & gt- N
! 1 •У 1 ^ N N ч — ч
15
30
а88, МПа
45 8, мм
300
200
3 V ^2
,* о*» ,* У: / :/ і -- ~
/: /: / г /__/ 1

8, мм
400
300
200
100
0
Фф
300
1 1 1 1 1
#*| 3 V 4 1 І *-
2 ?---V-, * 1*. 1 ¦, 1 1 1
/ V? ? / / / / / -/---/? #. *1
IV г/ -/ '- - т & gt- * 1 і ЧЛ ^ І
15
30
45 8, мм
афф, МПа
в)
200
100
-100
-200
… і і і і і Г"& quot-' і і і
ч-- ч г-- '-Г'- Л& quot- '-Г'- І 2
і і і і N
/ / {--і. і і
і 1 1 і 1
15
30
458,
мм
б)
г)
Рис. 2.
0
0
0
О88, МПа 140
О88, МПа
120
100
80
60
40
20
2,3 у! 4
|*и.
/ '-, к
/г 1 1
г И5
/1
0
Ффцъ МПа 100
50
0
«50
& quot-100
& quot-150
& quot-20Ц
15
а)
30
45 8, мм
2,3 —
-г-/7-г к'-/ /у ,/



0
15
б)
30
45 8, мм
Рис. 3.
100
50
0
-50
100
150
200
.д г- _ 1

1



0
15
г)
30
45 8, мм
На рис. 2. приведены диаграммы меридиональных и окружных напряжений на нижней поверхности пластины для постановок задач 1.1 (а и б) и 1.2 (в и г) в моменты времени: 1 — 100 ч- 2 — 1000 ч. -
3 — 1800 ч. Поскольку при температуре 300° С деформация ползучести и соответствующая ей повреждаемость материала не развиваются, и интенсивность развития водородной коррозии незначительна (толщина обезуглероженного слоя при решении задачи в постанове 1.2 составляет на момент разрушения всего
2 мм), то значения напряжений, полученные при решении задачи в постановках
1.1 и 1.2 для одних и тех же моментов времени мало отличаются друг от друга.
В тоже время, при температуре пластины 500° С деформации ползучести и
соответствующая им повреждаемость материала развиваются достаточно интенсивно (вариант постановки задачи 2. 1). Это приводит к более быстрому ее разрушению, по сравнению с постановкой задачи 1.1. А при интенсивном развитии процесса обезуглероживания материала в следствии высокотемпературной водородной коррозии (вариант постановки задачи 2. 2), время разрушения пластины сокращается еще на 9%. Диаграммы меридиональных б88 и окружных Бу напряжений на нижней поверхности пластины для постановок задач 2.1 (а и б) и
2.2 (в и г) приведены на рис. 3. в моменты времени: 1 — 100 ч- 2 — 570 ч.- 3 — 575 ч. -
4 — 620 ч. 5 — 630 ч.
Кроме этого, для варианта постановки задачи 2.2 было определено положение зон развития пластичных деформаций
(рис. 4) и распределение зон повреждае- фиксированные моменты времени:
мости материала (рис. 5) в пластине в а) 500 ч., б) 560 ч., в) 575 ч.
Ъ, мм
Щ — 1 = 500 ч.
— 1 = 560 ч.
— 1 = 575 ч.
45 Б, мм
Ъ, мм 0
а)
10
7,5 15 22,5 30 37,5 45 Б, мм
Ю
|: :| - 0. 02
Р& quot-| - 0. 04
— 0. 06
— 0. 1
— 0. 2
— 0. 6
— 0. 99
Рис. 5.
5
Выводы:
Авторами разработана методика, позволяющая исследовать историю изменения осесимметричного упругопластического напряженно — деформированного состояния однослойных и многослойных оболочек вращения с учетом повреждаемости материалов при ползучести и высокотемпературной водородной коррозии, а
также оценивать их несущую способность и долговечность. В качестве примера проведено численное моделирование и исследовано влияние эффектов ползучести и водородной коррозии на напряженно -деформированное состояние конструкции в виде кольцевой пластины с отверстием. Определено время до разрушения этой конструкции в различных условиях нагру-
жения. Показано, что при определенных условиях расчет конструкций на прочность и долговечность без учета воздействия водорода может привести к получению неверного результата.
Выполненные исследования могут быть основой для их дальнейшего развития в следующих направлениях:
— расчет конструкций более сложной формы-
— учет неоднородности распределения температурного поля по объему конструкций и его влияние на скорость обезуглероживания-
— учет влияния вида напряженного состояния на скорость обезуглероживания.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
1. Белов А. В. Осесимметричное упругопластическое напряженно — деформированное состояние оболочек вращения с учетом повреждаемости материала при ползучести: Авто-
реферат дисс. канд. техн. наук. — Киев, 1989. -18 с.
2. Поливанов А. А. Осесимметричное упругопластическое деформирование много-
слойных оболочек вращения с учетом повреждаемости материала при ползучести: Автореферат дисс. канд. техн. наук. — Волгоград, 2004. — 19 с.
3. V. Bagmutov, A. Belov, A. Polivanov Damage Calculation Features of Multilayered Shells of Rotation at Thermo — Viscous — Elasto -Plastic Strain // MECHANIKA, 2004, No 3(47) -p. 19 — 23.
4. Овчинников И. Г., Хвалько Т. А. Работоспособность конструкций в условиях высокотемпературной водородной коррозии: Саратов, 2003. 176 с.
5. Работнов Ю. Н. Ползучесть элементов конструкций. — М.: Наука, 1966. — 752 с.
6. Писаренко Г. С., Лебедев А. А. Деформирование и прочность ма-териалов при сложном напряженном состоянии. — Киев: Наук. думка, 1976. — 415 с.
THE STRESSED — STRAINED STATE OF MULTILAYERED SHELLS WITH ALLOWANCE FOR DAMAGEABILITY OF MATERIALS AT CREEP AND HIGH-TEMPERATURE HYDROGEN CORROSION UNDER NON-STATIONARY LOADING CONDITIONS
Belov A.V., Polivanov A.A., Popov A.G.
Kamyshin Technological Institute (branch) of Volgograd State Technical University,
Kamyshin, Russia
This work offers system approach on the basis of generalized model and describes research methods of complex problem solution stressed — strained state of multilayered shells with allowance for damageability of materials at creep and high-temperature hydrogen corrosion under non-stationary loading conditions.

ПоказатьСвернуть
Заполнить форму текущей работой